暗物質在哪裡？數十年來一直在尋找構成宇宙大部分質量的物質的科學家們開始擔心他們找錯了地方。在今年夏天對被認為構成暗物質的粒子進行的迄今為止最敏感的搜尋結果再次為零之後，粒子的質量和其他特性的理論範圍仍然有限。現在，物理學家提出了兩種新方法來搜尋這個剩餘的狹窄區域，該區域到目前為止尚未被實驗觸及。
宇宙的大部分質量是暗物質，大約佔80％。儘管我們看不到也摸不到它，但科學家知道它的引力會扭曲遙遠物體的影像並將星系結合在一起。自1980年代以來，埋藏在山脈和礦山深處的實驗一直在耐心地等待暗物質粒子透過。歐洲大型強子對撞機（LHC）將其他粒子碰撞在一起，希望在此過程中產生一些暗物質。但是到目前為止，這種難以捉摸的物質既沒有在大型強子對撞機中出現，也沒有在南達科他州的地下氙氣（LUX）實驗中出現。研究人員現在面臨越來越多的暗示，即現有實驗可能正在瞄準錯誤的粒子型別，而找到暗物質將需要新的技術。
迄今為止的暗物質搜尋主要集中在尋找“弱相互作用大質量粒子”（WIMP），這是一種理論上的粒子，其重量在1吉電子伏（GeV）和1太電子伏（TeV）之間，或者在質子質量的1到1,000倍之間。許多物理學家長期以來一直認為它們是最有希望的暗物質候選者，因為理論上認為，WIMP應該為宇宙貢獻大約與天文學家測量的暗物質數量相同的質量，但是到目前為止，這些粒子尚未出現。這些實驗傾向於搜尋WIMP撞擊某些探測材料中原子的罕見情況；在LUX的情況下，該材料是液態氙，但其他實驗使用了固態鍺或其他物質。
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在多次未能找到它們的情況下，“WIMP正規化正受到圍攻”，這限制了它們仍然可以隱藏的地方的數量，加利福尼亞州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的凱瑟琳·祖雷克說。祖雷克領導了兩項最近的研究，提出了尋找比WIMP更輕的粒子形式的暗物質的新方法，例如所謂的非對稱暗物質。這樣的粒子可能會透過某種尚未發現的暗力與我們已知的正常粒子相互作用。祖雷克說：“這個想法是，你可以擁有這個隱藏的區域，其中暗物質真的很輕……並且可以與[常規]粒子進行單獨的粒子相互作用。” “這不是人們直到不到十年前才真正考慮的正規化。”
祖雷克的團隊的第一種方法沒有使用傳統的暗物質探測器材料，而是使用了超導鋁，這是一種電子可以自由移動而沒有任何電阻的物質。在超導體中，電子與所謂的“庫珀對”中的夥伴電子結合在一起。來自入射暗物質粒子的能量可能會破壞其中一對，並將振動傳遞到超導體中，稱為過渡邊緣感測器（TES）的超靈敏熱探測器會讀取這些振動。研究人員於今年1月在《物理評論快報》上發表了這種方法。
第二種方法，上個月發表在《物理評論快報》上的，使用了超流體氦，這是一種超冷氦原子的零粘度液體，它們可以相互移動而沒有任何阻力。入射的暗物質粒子可能會與氦核相互作用，從而引起連鎖反應，將一組聲子，量子聲波傳送到TES。與現有實驗相比，這兩種方法都需要暗物質對探測材料的撞擊輕得多才能產生訊號，因此可以發現質量低至1 keV（質子質量的百萬分之一）的粒子。傳統實驗僅對輕至 10 MeV 的粒子敏感，這比 keV 重一萬倍。
當前一代的暗物質實驗正在升級；LUX正在成為LUX-ZEPLIN（液態惰性氣體中的區域比例閃爍）或LZ實驗，義大利的XENON100正在成為XENON1T，而明尼蘇達州的超低溫暗物質搜尋（SuperCDMS）將移至新的加拿大地點。但是，即使是改進後的版本，最多也只能探測到約10 MeV。如果他們找不到任何東西，科學家可能會考慮諸如祖雷克的提議來探測甚至更輕的潛在粒子質量。但是，此類實驗將需要研究和開發，以瞭解超導鋁或超流體氦探測器實際是什麼樣子，以及它們應該在哪裡建造這種探測器。“這些實驗在技術上具有挑戰性，但不是很昂貴，”祖雷克說。
伊利諾伊州費米國家加速器實驗室的科學家兼SuperCDMS發言人丹·鮑爾說：“[這項研究]是該領域的發展方向，部分原因是我們尚未找到標準的WIMP。”儘管科學家仍然抱著希望會出現更高質量的WIMP，但“我們意識到，我們一直在特定的燈柱下尋找。對於較輕的暗物質粒子，還有很多可用的領域。”
隨著實驗人員建造可以發現更輕粒子的探測器，理論物理學家可能會提出更多關於可以在那裡找到的暗物質候選粒子型別的想法。“理論家非常有創造力，”加州大學伯克利分校的物理學家鮑勃·雅各布森說，他研究LUX和LZ。“如果存在尚未探索的[質量]區域，理論家會說他們是否可以做一些在數學上一致的事情。如果他們釋出了它，我們的工作就是排除它。”
普林斯頓大學物理學家克里斯·塔利說，超導和超流體探測器的概念驗證最終將需要物理學家在當前搜尋與研究和開發之間分配時間。“你必須在執行實驗的同時並行構建這些技術，”他說。他希望在5到10年內開始看到模型，具體取決於資金（儘管祖雷克本人認為這會接近10年）。儘管塔利從事實驗，普林斯頓輕元素早期宇宙大規模中微子產量氚天文臺（PTOLEMY）和 SuperCDMS 已經開發了TES，科學家必須進一步測試未來的探測器，以確保它們可以從在探測器中引起類似訊號的汙染輻射中挑選出暗物質粒子。當前的實驗位於地下深處或山脈中，以防止宇宙射線，來自太空的高能粒子產生可能掩蓋暗物質的訊號。祖雷克說，超流體或超導體實驗則需要遮蔽雜散電磁波，例如來自手機的電磁波。鮑爾說，SuperCDMS的薩德伯裡中微子天文臺實驗室現在正在建造這種遮蔽。最終，“我們知道的太少了，”雅各布森說。“我們正在犯罪現場尋找第一條線索。如果你沒有第一條線索，你就不知道該往哪裡看。”